能量收集器
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-26
能量收集器的實例教程
近日，北京工業大學材料學院、新型功能材料教育部重點實驗室侯育冬教授團隊，成功開發出一種具有優異發電特性和長時間服役穩定性的懸臂梁式柔性壓電能量收集器。相關研究成果發表于能源領域著名學術刊物Nano Energy（IF=13.14）上。
文章鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518305676
隨著各類小型電子設備以及物聯網的快速發展，迫切需要開發高性能、輕量化，可持續性強的能量供應器件。在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優異的力學性能，良好的環境適應性以及突出的能量收集性能有望集成于個人電子設備以及無線傳感器中，持續進行能量供應。如何基于填料設計與結構優化在提升柔性壓電能量收集器發電功率的同時，保持長時間的工作穩定性是本方向的研究難點。
最近，侯育冬教授團隊率先開發出一種具有優異服役特性的極性納米棒填料織構化柔性壓電復合材料。在能量收集材料設計理論指導下，以熔鹽化學合成的具有單軸強極性的BaTi2O5納米棒為填料，聚偏氟乙烯PVDF為基體，通過熱壓取向工藝將BaTi2O5納米棒定向排列于聚合物基體中，構建出具有高換能系數的織構化柔性BaTi2O5/PVDF壓電復合材料。
研究發現，以該材料制作的懸臂梁式柔性壓電能量收集器，在嚴苛的振動條件下（10g加速度）表現出高能量密度27.4 μW/cm3。更為重要的是，即使經過長時間的振動周期循環（~330,000），柔性壓電能量收集器仍能保持其發電特性而不劣化。
展開 圖3.EDLC能量收集器特性。A-D)輸出電流作為機械輸入的電極面積(A)、電解質濃度(B)、振幅(C)和頻率(D)的函數。E)裝置的電路模型，其中符號A表示短路電流的測量。F)試驗結果與模型結果的比較。模型數據符合線性方程，電流=0.0308×電極面積。G)水下軟EDLC能量收集器。
這項工作解決了傳統的可變面積靜電能量收集器的一些顯著缺陷。仍然存在挑戰和機遇：(1)隨著時間的推移，水凝膠中的水可能會蒸發，這可能會惡化凝膠的機械性能，并改變凝膠的離子導電性。以前對基于凝膠的設備的研究已經通過使用氯化鋰鹽緩解了這一問題，這種鹽顯示了在環境條件下將水保留在凝膠中的能力，其相對濕度低至11.3%。離子凝膠也可能有助于解決這一挑戰。(2)已知鎵可以氧化，從而形成一種薄的鈍化氧化物。本文們觀察到，經過數千個周期后，其潛力略有下降，但隨著時間的延長，可能會有更多顯著的問題。原則上，人們可以探索其他材料，如離子液體或電池電解液，以延長操作電位。
展開 案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
幾何模型：
仿真結果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
幾何模型：
仿真結果：
操作步驟：
1.打開comsol mutiphysics，點擊model wizard→2d→fluid flow→fluid-structure interaction（fsi），點擊add→study，選擇preset studies→time dependent，點擊done。
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在造紙工業中，液體或者紙漿懸浮液與固體的摩擦，纖維素與液體的摩擦等現象深刻影響著造紙工業生產和紙張質量。有效利用來自液體的能量將促進可再生能源領域的發展和創新，符合碳中和所提出的要求，也將有效促進造紙工業的高端化和綠色化發展。在眾多的液體能量收集的技術中，液-固摩擦納米發電機具有器件簡易、輸出高、材料選擇廣泛等優勢。為了進一步提升摩擦納米發電機的輸出性能
皮膚作為人體最大的器官，近年來為科學家設計新型可拉伸電子帶來了諸多啟發。通過精巧地設計并組合相關電子元器件及彈性體材料，研究人員已成功開發出諸如電子皮膚（electronic skin）等仿人體皮膚的電子設備，并在可穿戴電子，可穿戴康復機械人和軟體機器人等領域展現了巨大的應用前景
這種設計多級結構和制造功能性壓電陶瓷織物的概念為提高傳統壓電材料的壓電性能提供了新的思路，而制備在透氣性、壓電性、柔性和韌性方面具有均衡性能的能量收集器的新策略也將促進可穿戴設備中柔性能量收集器的發展。
該論文的其他作者有龍之河、張卓敏、潘其其及劉世源，合作者為港城大助理教授駱小偉。
將空氣中的水蒸氣（水汽）轉化為純凈液態水或電能等技術，在環境、能源、可穿戴設備等領域顯示了巨大應用潛力，引起了廣泛關注。然而，傳統的水汽響應型智能材料種類有限，其較差的結構有序性影響其能量轉化效率以及響應/驅動機制研究。因此，開發具有明晰有序結構的新型水汽響應型智能材料具有重要意義。
電子紡織品(E-textiles)和柔性可穿戴電子作為一種新興技術越來越受到人們的廣泛關注，它可能會徹底改變我們未來的生活。目前，已經有各種功能性電子器件如晶體管、壓力傳感器等可集成在纖維/織物中，用于健康/運動監測、個人熱管理等。其中一個不可回避的問題就是如何在不犧牲電子紡織品的舒適性、柔性和透氣性的條件下，為這些電子元件提供可持續的能源供應。因此有必要針對目前可穿戴智能設備供能時間短及不可變形的兩個缺點
這套儲能系統是由加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA）和康涅狄格大學的一組研究人員設計的，使用了生物液體電解質（如血清和尿液）進行供電，它與能量收集器一起工作，能夠將熱量和運動轉換成存儲在超級容器中的電力。
研究團隊的伊斯蘭·莫薩（Islam Mosa）解釋說：“與使用化學反應的電池不同，新一代生物超級電容器通過利用血清中容易獲得的離子或帶電分子來儲存能量?！?/div>
在目前各種形式的能量收集器中，柔性壓電能量收集器依托優異的力學性能，良好的環境適應性以及突出的能量收集性能有望集成于個人電子設備以及無線傳感器中，持續進行能量供應。如何基于填料設計與結構優化在提升柔性壓電能量收集器發電功率的同時，保持長時間的工作穩定性是本方向的研究難點。
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本文亮點：結合彈簧結構和多層結構的優點，制作了摩擦納米發電機（TENG）陣列，該陣列由四個球形TENG和彈簧輔助多層結構組成，用于收集水波能量。在水波的驅動下，這個TENG陣列產生15.97 mW的高輸出功率，展示了高效水波能量收集的能力。
能源在人類生活中扮演著非常重要的角色，現階段能源的消耗主要依賴于傳統化石能源，這是一種有限的、非可再生的能源。隨著化石能源的不斷開采和枯竭，迫切需要尋找一些新型的能源形式
案例描述：圓柱繞流是流體力學中一個重要的現象，可將圓柱繞流產生的卡門渦街現象應用到實際的工程中——能量收集器。本案例通過利用comsol研究卡門渦街產生的能量是如何轉換為結構的動能，在仿真中利用率comsol的流固耦合模塊和動網格功能。
